KR20120098937A

KR20120098937A - 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속

Info

Publication number: KR20120098937A
Application number: KR1020127019731A
Authority: KR
Inventors: 히데노리 나꼬; 요시또미 오까자끼; 겐 야마시따; 미노루 오오쯔; 히데아끼 다까우찌
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-09-05
Also published as: US8932415B2; EP2529876A1; US20120294752A1; EP2529876A4; JP5457859B2; CN102725098B; CN102725098A; JP2011152567A; KR101418662B1; WO2011093244A1; EP2529876B1

Abstract

본 발명의 용접 금속은, 소정의 화학 성분 조성을 만족하고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하인 동시에, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적분율이 4.0％ 이하다.
[수학식 1]

단, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Mo] 및 [Cr]은, 각각 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.
상기의 용접 금속은 높은 강도는 물론, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있고, 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서 유용하다.

Description

저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속{WELDING METAL HAVING EXCELLENT LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS AND DROP-WEIGHT CHARACTERISTICS}

본 발명은 원자력 분야에 있어서 Mn-Mo-Ni계 용접 구조체에서 적용되는 용접 금속에 관한 것으로, 특히 저온 인성과 함께 낙중 특성도 우수한 용접 금속에 관한 것이다.

Mn-Mo-Ni 강재는 우수한 강도와 인성을 갖는 것이 알려져 있고, 주로 원자력 발전 플랜트의 압력 용기 등의 소재로서 사용되고 있다. 최근, 안전성의 관점에서 요구되는 인성 레벨은 계속 상승하는 추세에 있어, 예를 들어 원자로에 사용이 끝난 연료를 저장?수송할 때에 사용하는 캐스크에 있어서는, 한층 더 양호한 저온 인성이 필요하게 된다. 또한 마찬가지로 파괴 안전성을 보장하는 낙중 특성에 있어서도 저온에서의 특성 향상이 요망되고 있으며, 그에 수반하여, 이들 용도에 적용되는 Mn-Mo-Ni계 용접 금속에 있어서도 강도, 저온 인성 및 낙중 특성의 개선이 더욱 요망되고 있다.

상기와 같은 Mn-Mo-Ni계 용접 금속을 포함해서 구축되는 용접 구조체(Mn-Mo-Ni계 용접 구조체)에 있어서는, 용접 시공 후에 응력 제거를 목적으로 한 장시간의 어닐링 처리(이하, 「SR 어닐링」이라고 하는 경우가 있음)가 실시되지만, 이 SR 어닐링 중에 탄화물이 석출됨으로써, 용접 금속의 특성이 크게 변화하기 때문에, SR 어닐링 조건에 대응하는 강도, 저온 인성 및 낙중 특성을 개선하는 기술의 확립이 필요하다.

용접 금속의 저온 인성의 개선에 대하여, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 Ni기 합금계 용접 재료, 특허문헌 2에 개시된 바와 같은 9％ Ni기 합금계 용접 재료의 유효성이 알려져 있다. 그러나, 이들 Ni기 합금계 용접 재료는, 고가인 Ni를 다량으로 포함하기 때문에 비용면에서 불리하고, 또한 9％ Ni기 합금계 용접 재료는 SR 어닐링 시에 안정된 오스테나이트가 생성되어, 항복 응력이 대폭 저하한다는 문제가 있다. 그로 인해, Ni 함유량을 저레벨로 억제하면서, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성을 더욱 향상시키는 기술이 필요해진다.

이에 반해, 예를 들어 특허문헌 3에서는, Ti계 산화물을 기점으로 하는 미세 침상 페라이트 조직의 발현에 의해, 일정한 저온 인성 개선 효과를 얻고 있다. 그러나, 이 기술로 얻어지는 저온 인성은 -60℃의 레벨에 머물고 있어, 추가적인 저온 인성 개선에 대하여, Ti계 산화물의 분산은 동시에 파괴 기점으로 되는 조대 산화물 증가를 초래하기 때문에, 한층 더 고안이 필요하다. 또한, 특허문헌 4에서는, 서브 머지 아크 용접에 있어서, 플럭스, 와이어 성분을 제어함으로써 낙중 특성이 우수한 용접 금속을 얻는 방법이 개시되어 있지만, 서브 머지 아크 용접 금속은 산소 레벨이 높고, 조대한 산화물이 형성되기 때문에, 낙중 특성은 낙중 비파단 온도가 -90℃에 머물고 있다. 또한, 특허문헌 5에서는, Ni 함유량을 제어함으로써 파괴 인성이 우수한 용접 금속을 실현하고 있지만, 마찬가지로 산소 레벨이 높기 때문에, 저온 인성에 대해서는 불충분하다고 생각된다.

한편, 함유 산소량이 적은 TIG 용접에 있어서의 검토로서는, 특허문헌 6에 Nb나 V의 함유량이 제어된 기술이 제안되어 있으나, Nb나 V의 첨가는 강도?인성 밸런스에 악영향을 미치기 때문에, 얻어지는 인성값은 -50℃의 레벨에 머물고 있어, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성의 개선에 대해서는, 새로운 기술의 확립이 필요하다.

일본 특허 출원 공개 평11-138293호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-101414호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-315962호 공보 일본 특허 출원 공개 평11-192555호 공보 일본 특허 출원 공개 제2001-335879호 공보 일본 특허 출원 공개 평4-313488호 공보

본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 높은 강도는 물론, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있고, 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서 유용한 용접 금속을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 따른 용접 금속이란, C: 0.02 내지 0.10％(「질량％」의 의미. 화학 성분 조성에 대해서는 이하 동일), Si: 0.50％이하(0％를 포함하지 않음), Mn: 1.0 내지 1.9％, Ni: 2.7 내지 8％, Cr: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mo: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않음), N: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음), O: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 각각 함유함과 함께, Cr과 Mo의 합계 함유량이 0.10 내지 1.2％이며, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하인 동시에, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적분율이 4.0％ 이하인 점에 요지를 갖는다.

[수학식 1]

단, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Mo] 및 [Cr]은, 각각 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 발명에 있어서 「원 상당 직경」이란, 탄화물의 크기에 주목하여, 동일 면적의 원으로 환산했을 때의 직경을 의미한다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, 하기 수학식 2로 규정되는 B값이 0.35％ 이하인 것이 바람직하고, 이것에 의해 탄화물의 면적분율을 한층 더 저감할 수 있고, 저온 인성이나 낙중 특성을 더욱 양호하게 할 수 있다.

[수학식 2]

단, [C], [Mn] 및 [Cr]은, 각각 C, Mn 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 발명의 용접 금속에는, 필요에 따라, (a) Ti: 0.040％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않음), (d) Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음) 등을 더 함유시키는 것도 유용하고, 이러한 원소를 함유함으로써, 그 종류에 따라 용접 금속의 특성이 더욱 개선되게 된다.

상기와 같은 용접 금속을 포함하여 구성됨으로써, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속을 구비한 용접 구조체를 실현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 용접 금속에 있어서, 상기 수학식 1의 관계를 만족시키면서, 화학 성분 조성을 적절하게 제어함으로써, 높은 강도(인장 강도)를 확보할 수 있음과 함께, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있는 용접 금속을 실현할 수 있고, 이러한 용접 금속은 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서, 혹은 캐스크용 소재로서 매우 유용하다.

본 발명자들은, 우수한 강도?인성?낙중 특성을 보장하는 용접 금속을 실현하는 수단에 대해서 여러 가지 각도로 검토하였다. 그 결과, 용접 시에 형성되는 미세한 재열부 조직의 증가 및 조대 탄화물의 저감이 강도?저온 인성?낙중 특성 향상에 유효한 것을 발견하여, 재열부 조직의 형성 촉진 및 탄화물 미세화 기술을 고안함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명자들은, 용접 금속의 화학 성분 조성을 소정의 범위로 제어함과 함께, 성분에 의해 구해지는 하기 A값(수학식 1)을 3.8％ 이상, 9.0％ 이하의 범위로 제어하고, 또한 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적분율을 4.0％ 이하로 함으로써, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속이 실현되는 것을 발견하였다. 또한 필요에 따라 화학 성분으로부터 구해지는 하기 B값(수학식 2)을 0.35％ 이하로 함으로써, 상기 탄화물의 면적분율을 더욱 저감할 수 있고, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성이 보다 더 향상되는 것을 밝혔다.

본 발명의 용접 금속을 실현하기 위해서는, 용접 재료 및 용접 조건을 적절하게 제어할 필요가 있다. 용접 재료 성분은, 당연히 필요로 하는 용접 금속 성분에 의해 제약을 받고, 게다가 소정의 탄화물 형태를 얻기 위해서는, 용접 조건 및 용접 재료 성분이 적절하게 제어될 필요가 있다. 예를 들어, 용접 입열량이 2.0 내지 2.5kJ/mm의 범위에서 예열/패스 간 온도가 150 내지 240℃인 경우에는, 하기 수학식 3으로 나타내어지는 β값을 0.40％ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적분율을 4.0％ 이하로 제어하는 것이 용이하게 된다.

[수학식 3]

단, [C], [Mn] 및 [Cr]은, 각각 용접 재료 중의 C, Mn 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

탄화물의 크기는, 용접 금속 매트릭스의 조직에도 영향을 받게 된다. 즉, 용접 금속 매트릭스가 미세할수록 탄화물 생성 사이트가 증가하기 때문에, 탄화물 크기는 미세해지는 것이 일반적이다. 따라서, 용접 입열량이 상기의 범위를 하회하거나, 혹은 예열/패스 간 온도가 낮아지는 경우에는, 용접시의 냉각 속도가 상승하고, 매트릭스 조직이 미세해지기 때문에, β값의 만족해야 할 범위는 보다 넓어진다. 반대로, 용접 입열량이 커지거나, 혹은 예열/패스 간 온도가 높아지는 경우에는 β값은 보다 좁은 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 용접 입열량 및 예열/ 패스 간 온도는, 강도 등의 특성에 영향을 미치는 파라미터이며, 필요한 특성에 따라서 적절한 범위로 제어된다.

또한, 탄화물 형태에 대해서는, SR 어닐링 조건도 영향을 미치지만, 본 발명의 용접 금속에서는, 하기 수학식 4로 나타내어지는 라슨 밀러 파라미터(LMP)로 하여, 17×10³ 내지 19×10³의 범위에서 SR 어닐링 시의 온도, 시간을 제어하면 된다.

[수학식 4]

단, T: SR 어닐링 온도(℃)

t: SR 어닐링 시간(hr)

LMP가 19×10³보다도 커지면, 탄화물의 성장이 진행되어 소정의 탄화물 형태가 얻어지지 않는다. 또한 LMP가 17×10³보다도 작아지면, 강도가 과대해져서 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 확보할 수 없다. 예를 들어 565℃에서 4시간(hr)의 SR 어닐링을 행했을 때의 LMP는 17.3×10³이 되고, 615℃에서 12시간(hr)의 SR 어닐링을 행했을 때의 LMP는 18.7×10³이 된다.

본 발명의 용접 금속에서는, 화학 성분 조성을 적절하게 제어함과 함께, C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo, Cr 등의 원소 함유량에 의해 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하인 요건을 만족할 필요가 있다.

[수학식 1]

또한, 상기 수학식 1에는, 필요에 따라 함유되는 Cu도 포함되는 것이 되지만, Cu를 포함하지 않을 때에는, 그 항목이 없는 것으로서 A값을 계산하고, Cu를 포함할 때에는, 상기 수학식 1로부터 A값을 계산하면 된다.

상기 A값은 용접 금속의 변태 온도의 지표가 되는 파라미터이며, 이 값이 클수록 변태 온도가 낮아, 용접시의 역변태를 촉진함으로써 미세 재열부 증가를 초래한다. 이 A값이 3.8％보다 작아지면, 충분한 효과를 발휘할 수 없다. 또한, A값이 9.0％를 초과하면, SR 어닐링에 의해 프레쉬 마르텐사이트가 생성되게 되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 저하한다. 또한, 이 A값의 바람직한 하한은 4.5％ 이상이며, 바람직한 상한은 8.0％ 이하다.

본 발명의 용접 금속에 있어서는, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적분율이 4.0％ 이하인 것이 필요하다. 이 면적분율이 4.0％보다도 커지면, 조대 탄화물이 파괴 균열의 진전을 조장하여, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되게 된다. 이 면적분율은 바람직하게는 3.5％ 이하로 하는 것이 좋다.

하기 수학식 2로 규정되는 B값은, 탄화물의 안정성을 나타내는 파라미터이며, 이 B값을 0.35％ 이하로 제어함으로써, 조대 탄화물의 생성이 억제되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 더욱 향상되므로 바람직하다. 이 B값의 보다 바람직한 상한은 0.30％ 이하다.

[수학식 2]

이어서, 본 발명의 용접 금속에 있어서의 기본 성분 조성에 대해서 설명한다. 본 발명의 용접 금속은, 그 화학 성분 조성에 있어서 상기 수학식 1로 규정되는 A값이 소정의 범위 내에 있어도, 각각의 화학 성분(원소)의 함유량이 적정 범위 내에 없으면, 우수한 기계적 특성을 달성할 수 없다. 따라서, 본 발명의 용접 금속으로는 적정량의 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr로 규정되는 A값(상기 수학식 1의 값)이 소정의 범위로 제어되는 것과 더불어, 각각의 화학 성분의 양이 이하에 나타낸 바와 같은 적정 범위 내에 있는 것도 필요하다. 이들 성분의 범위 한정 이유는 하기와 같다.

[C: 0.02 내지 0.10％]

C는, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 있어서 필수적인 원소다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서도 유효한 원소다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.02％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 과잉이 되면 탄화물의 조대화를 초래하고, 저온 인성 및 낙중 특성을 열화시키는 원인이 되므로, 0.10％ 이하로 할 필요가 있다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.04％ 이상(보다 바람직하게는 0.05％ 이상)이며, 바람직한 상한은 0.08％ 이하(보다 바람직하게는 0.07％ 이하)이다.

[Si: 0.50％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Si는, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 있어서 중요한 원소다. 그러나, Si 함유량이 과잉으로 되면 강도의 과대한 상승을 초래하거나, 혹은 마르텐사이트 등의 경질 조직 증가를 초래하여, 저온 인성 및 낙중 특성의 열화를 초래하므로, 0.50％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Si 함유량의 바람직한 하한은 0.05％ 이상이며, 바람직한 상한은 0.40％ 이하(더욱 바람직하게는 0.30％ 이하)이다.

[Mn: 1.0 내지 1.9％]

Mn은, 용접 금속의 강도를 확보하는 데 있어서 필요한 원소다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서도 유효하게 작용한다. 이들 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Mn은 1.0％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 1.2％ 이상(보다 바람직하게는 1.3％ 이상)이다. 그러나, Mn 함유량이 과잉으로 되면 강도의 과대한 상승이나 탄화물 조대화를 초래하여, 저온 인성 및 낙중 특성 열화의 원인이 된다. 이러한 점에서, Mn 함유량은 1.9％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 1.8％ 이하(보다 바람직하게는 1.7％ 이하)이다.

[Ni: 2.7 내지 8％]

Ni는 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시키는 데 있어서 유효한 원소다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 Ni는 2.7％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 3.0％ 이상(보다 바람직하게는 4.0％ 이상)이다. 그러나, Ni의 함유량이 과잉이 되면, SR 어닐링에 의해 프레시 마르텐사이트가 발생하여, 저온 인성 및 낙중 특성을 오히려 저하시키므로, 8％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 7.0％ 이하(보다 바람직하게는 6.0％ 이하)이다.

[Cr: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Cr은 용접 금속의 강도 확보에 유효한 원소다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시킨다. 그러나, 그 함유량이 과잉이 되면, 탄화물 조대화가 촉진되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 오히려 저하한다. 이러한 점에서 Cr 함유량은 0.8％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.6％ 이하(보다 바람직하게는 0.5％ 이하)이다. 또한, Cr에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해 바람직한 하한은 0.1％ 이상(보다 바람직하게는 0.2％ 이상)이다.

[Mo: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Mo는, SR 어닐링 시에 미세 탄화물을 형성하고, 강도를 향상시키는 데 있어서 유효한 원소다. 그러나, 그 함유량이 과잉으로 되면, 탄화물 조대화가 촉진되어, 저온 인성 및 낙중 특성이 오히려 저하한다. 이러한 점에서, Mo 함유량은 0.8％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.6％ 이하(보다 바람직하게는 0.5％ 이하)이다. 또한, Mo에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은 0.1％이상(보다 바람직하게는 0.2％ 이상)이다.

[Cr+Mo: 0.10 내지 1.2％]

Cr 및 Mo는 탄화물 형성 원소이며, SR 어닐링 시에 미세 탄화물을 형성하여 강도를 향상시키는 작용을 발휘한다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서, 그 합계량도 적절한 범위로 조정할 필요가 있다. 이들의 합계 함유량이 0.10％를 하회하면, 필요한 강도를 확보할 수 없게 된다. 이에 대해, 합계 함유량이 1.2％를 초과해서 과잉이 되면, 다량으로 탄화물이 생성되어, 저온 인성 및 낙중 특성을 오히려 열화시키게 된다. 이 합계 함유량의 바람직한 하한은 0.15％ 이상(보다 바람직하게는 0.2％ 이상)이며, 바람직한 상한은 1.0％ 이하(보다 바람직하게는 0.8％ 이하)이다.

[N: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

N은, 필요에 의해 함유되는 Ti, Nb, V 등의 원소와 질화물(또는 탄질화물)을 형성하고, 용접 금속의 강도를 향상시키는데에 유효한 원소다. 그러나, N이 과잉으로 함유되면, 질화물을 형성하지 않고 단독으로 존재하는 N(고용 N)이 증가하여, 인성에 악영향을 미치게 된다. 또한, Ti, Nb, V 등의 원소가 함유되지 않을 경우에는, 질화물(또는 탄질화물)의 형성량이 감소됨으로써, 고용 N이 생성되기 쉬운 상태가 된다. 이러한 점에서, N 함유량은 0.010％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.0080％ 이하다.

[O: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

O는 산화물을 형성하는데, 너무 과잉이 되면 조대 산화물이 증가하여, 취성 파괴의 기점이 됨으로써 저온 인성을 저하시킨다. 이러한 점에서 O 함유량은 0.010％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.008％ 이하(보다 바람직하게는 0.007％ 이하)로 하는 것이 좋다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기와 같으며, 잔량부는 철 및 불가피적 불순물이며, 상기 불가피적 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해 반입되는 원소(예를 들어, P, S, B, Sn, Zr, Bi, Pb 등)의 혼입이 허용될 수 있다. 또한 본 발명의 용접 금속에는, 필요에 따라 추가로 (a) Ti: 0.040％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않음), (d) Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음) 등을 함유시키는 것도 유용하고, 이러한 원소를 함유함으로써 그 종류에 따라 용접 금속의 특성이 더욱 개선된다.

[Ti: 0.040％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Ti는 탄화물을 형성하고, SR 어닐링 후의 용접 금속 강도를 향상시키는 데 있어서 유효한 원소다. 그러나, Ti 함유량이 과잉으로 되면, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되므로, 0.040％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.035％ 이하(더욱 바람직하게는 0.03％ 이하)이다. 또한, Ti에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은 0.01％ 이상(보다 바람직하게는 0.015％ 이상)이다.

[Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Al은 탈산제로서 유효한 원소이나, 그 함유량이 0.030％를 초과해서 과잉으로 함유되면, 산화물 조대화를 초래하여, 저온 인성에 악영향을 미치게 된다. 보다 바람직하게는 0.025％ 이하(더욱 바람직하게는 0.02％ 이하)이다. 또한, Al에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은 0.01％ 이상(보다 바람직하게는 0.015％ 이상)이다.

[Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Cu는 용접 금속의 강도 향상에 유효한 원소다. 또한, 용접 금속의 변태 온도를 낮추고, 미세 재열부를 증가시킴으로써, 저온 인성 및 낙중 특성을 향상시킨다. 그러나, Cu의 함유량이 과잉해지면, 강도의 과대한 상승을 초래하여 저온 인성 및 낙중 특성에 악영향을 미치므로 0.35％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이하(더욱 바람직하게는 0.25％ 이하)이다. 또한, Cu에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은 0.02％ 이상(보다 바람직하게는 0.05％ 이상)이다.

[Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Nb 및 V는 탄질화물을 형성하고, 용접 금속의 강도를 향상시키는데에 유효한 원소다. 그러나, 이들 원소가 과잉으로 함유되면, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되므로, Nb를 0.030％ 이하(보다 바람직하게는 0.02％ 이하), V를 0.10％ 이하(보다 바람직하게는 0.08％ 이하)로 하는 것이 좋다. 또한, 이들 원소에 의한 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 바람직한 하한은, Nb를 0.008％ 이상(보다 바람직하게는 0.01％ 이상), V를 0.010％ 이상(보다 바람직하게는 0.02％ 이상)으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 용접 금속을 포함하여 구성됨으로써, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속을 구비한 용접 구조체를 실현할 수 있게 된다.

<실시예>

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하는데, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니고, 상?후술하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경해서 실시할 수도 있고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

용접 와이어 성분(C, Mn 및 Cr 함유량)에 의해 구해지는 β값(상기 수학식 3)이 0.40％ 이하, 혹은 0.53(W27), 0.42(W36)가 되는 각종 용접 와이어(직경: 1.6㎜)를 사용해(하기 표 1, 2의 W1 내지 W38), 하기의 용접 조건으로 TIG 용접을 행하였다. 이 때 사용한 Mn-Mo-Ni 강재의 화학 성분 조성은 하기 표 3에 나타내는 바와 같다.

[TIG 용접 조건]

모재 판 두께: 20㎜

개선 형상: V자형(각도: 20°)

루트 간격: 16㎜

용접 입열량: 2.3kJ/㎜(260A-12V-8cpm)

실드 가스: 100％Ar(inner=25L/min, outer=30L/min): 단, 일부의 실시예에서는 0.1％ CO₂+99.9％ Ar의 혼합 가스 또는 0.2％ CO₂+99.8％ Ar의 혼합 가스를 사용

와이어 송급량: 15g/min

예열/패스 간 온도: 160 내지 220℃

적층수: 9층 18 패스

형성된 용접 금속의 화학 성분 조성을 A값, B값 및 용접 시의 실드 가스의 종류와 함께 하기 표 4, 5에 나타낸다.

형성된 각 용접 금속에 대하여, 565℃×4hr(LMP=17.3×10³) 또는 615℃×12hr(LMP=18.7℃×10³)의 조건에서 SR 어닐링을 실시한 후, 하기의 방법으로 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 탄화물의 면적분율(총 면적률)을 측정함과 함께, 용접 금속의 인장 강도(TS), 저온 인성(vE_-74) 및 낙중 특성을 하기의 조건으로 평가하였다.

[탄화물의 면적분율의 측정]

SR 어닐링 후의 용접 금속에 대해서, 최종 패스 중앙부로부터 레플리카 TEM(투과형 전자 현미경) 관찰용 시험편을 채취하였다. 이 시험편에 대해서 7500배의 TEM상 4시야를 무작위로 촬영하여, 화상 해석 소프트(「Image-Pro Plus」Media Cybernetic사제)를 사용한 화상 해석에 의해 원 상당 직경으로 해서 0.20㎛ 이상의 탄화물을 선택해서 그 면적분율을 산출하였다.

[용접 금속의 인장 강도]

SR 처리 후의 용접 금속의 중앙부로부터, 용접선 방향으로 인장 시험편(JIS Z3111A2호 시험편)을 채취하고, JIS Z 2241의 요령으로 인장 시험을 행하여, 인장 강도(TS)를 측정하였다. 그리고, 인장 강도 TS가 620㎫를 초과하는 것을 합격으로 평가하였다.

[용접 금속의 저온 인성의 평가]

SR 처리 후의 용접 금속의 중앙부로부터, 용접선 방향으로 샤르피 충격 시험편[JIS Z3111 4호 시험편(V노치 시험편)]을 채취하여, JIS Z 2242에 준거하여, -74℃에서 샤르피 충격 시험을 각 3회씩 행하고, -74℃에서의 흡수 에너지(vE_-74)의 평균값을 측정하였다. 그리고, 흡수 에너지(vE_-74)가 70J를 초과하는 것을 저온 인성이 우수하다고 평가하였다.

[낙중 특성의 평가]

ASTM E208(2006)에 준거하여, 용접 금속 중앙부로부터 채취한 P-3 시험편을 사용하여, -160°F(-107℃)에서 낙중 시험을 실시하고, 비파단인 것을 낙중 특성이 우수하다(평가: 「○」)고 하였다.

이들 측정 결과 [탄화물의 면적분율, 인장 강도, 낙중 특성 및 저온 인성(vE_-74)]을, SR 어닐링 조건마다 하기 표 6, 7에 나타낸다.

이들 결과로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다(또한, 하기 No.는 표 6, 7의 실험 No.를 나타냄). No. 1 내지 26은, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예이며, 화학 성분 조성 및 A값이 적절하게 제어되고 있어, 강도, 저온 인성 및 낙중 특성이 양호한 용접 금속이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

이에 반해, No. 27 내지 38은, 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 벗어나는 예이며, 적어도 어느 한쪽의 특성이 뒤떨어진다. 이 중 No. 27의 것은, C 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며(탄화물의 면적분율, B값이 높게 되어 있음), 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다. No. 28의 것은, Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 만족하지 않는 것이며, 필요한 강도가 얻어지지 않았다.

No. 29의 것에서는, Si 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고(선택 성분의 Ti의 함유량도 과잉이 되어 있음), 또한 Ni 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않은 것이며(A값이 낮게 되어 있음), 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다. No. 30의 것은, Cr 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고(선택 성분의 Al의 함유량도 과잉이 되어 있음), 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성 모두 열화되어 있다.

No. 31의 것에서는, Mo 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고(선택 성분의 Cu의 함유량도 과잉이 되어 있음), 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다. No. 32의 것은, Cr과 Mo의 합계 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않은 것이며, 필요한 강도가 얻어지지 않고 있다.

No. 33의 것은, Cr과 Mo의 합계 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고, 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다. No. 34의 것은, N 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고, 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다.

No. 35의 것은, O 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고, 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 LMP=17.3×10³의 조건에서 SR 어닐링했을 때의 낙중 특성이 열화되어 있다. No. 36의 것은, 바람직한 요건인 B값이 높은 값으로 되어 있고(탄화물의 면적분율이 높게 되어 있음), 높은 강도는 얻어지지만, 저온 인성 및 낙중 특성이 열화되어 있다.

No. 37의 것은, A값이 본 발명에서 규정하는 범위에 미치지 않은 것이며, 낙중 특성이 열화되어 있다. No. 38의 것은, A값이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있고, 낙중 특성이 열화되어 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 변형이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어 명확하다.

본 출원은, 2010년 1월 27일 출원한 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2010-015835호)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

본 발명의 용접 금속은 높은 강도는 물론, 양호한 저온 인성 및 낙중 특성을 발휘할 수 있어, 원자력 플랜트의 압력 용기용 소재로서 유용하다.

Claims

C: 0.02 내지 0.10％(「질량％」의 의미. 화학 성분 조성에 대해서 이하 동일), Si: 0.50％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mn: 1.0 내지 1.9％, Ni: 2.7 내지 8％, Cr: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mo: 0.8％ 이하(0％를 포함하지 않음), N: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음), O: 0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 각각 함유함과 함께, Cr과 Mo의 합계 함유량이 0.10 내지 1.2％이며, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 3.8％ 이상, 9.0％ 이하인 동시에, 용접 금속 중에 존재하는 탄화물이며, 원 상당 직경이 0.20㎛ 이상인 것의 면적분율이 4.0％ 이하인 것을 특징으로 하는, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
[수학식 1]

단, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Mo] 및 [Cr]은, 각각 C, Si, Mn, Cu, Ni, Mo 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항에 있어서, 하기 수학식 2로 규정되는 B값이 0.35％ 이하인, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
[수학식 2]

단, [C], [Mn] 및 [Cr]은, 각각 C, Mn 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용접 금속이, 다른 원소로서, 이하의 (I) 내지 (IV)에서 선택되는 적어도 하나의 군을 더 포함하는, 저온 인성 및 낙중 특성이 우수한 용접 금속.
(I) Ti: 0.040％ 이하(0％를 포함하지 않음),
(II) Al: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음),
(III) Cu: 0.35％ 이하(0％를 포함하지 않음),
(IV) Nb: 0.030％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 V: 0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 용접 금속을 포함하여 구성되는, 용접 구조체.